充填開采覆巖裂隙時空演化實驗研究

徐連兵，楊 科，趙新元

(1.國家能源投資集團有限責任公司，北京 100010；2.安徽理工大學，安徽 淮南 232001)

我國每年在煤炭產業鏈上產出的固廢數量巨大，這些固廢堆積在地表，并未得到有效處理。將這種固廢材料作為井下充填材料，已經成為近年來煤礦綠色開采的發展方向。因此煤礦固廢充填開采因其有效處理固廢、降低覆巖損傷和地表沉陷、解決三下壓煤問題等作用在近年來得到快速發展和廣泛應用[1-4]。煤層開采后形成體積巨大的采空區域，在采空區未充填情況下，上覆巖層從下向上依次下沉、斷裂和垮落，覆巖應力和位移發生劇烈變化，破斷的巖層在垮落過程中重新排列和疊加，形成大量的離層、空隙和裂隙，這些不穩定結構對煤層開采造成嚴重安全隱患，對上覆含水層和地表生態環境造成嚴重破壞[5-7]。然而，在采空區內充填大量固體廢棄物后，上覆巖層的運移形態和結構特征發生明顯改變，巖層損傷程度必然大大降低，因而覆巖裂隙的發育演化和空間分布也必然有所區別。

目前眾多專家學者主要對充填開采巖層移動特征做了大量研究工作，取得了豐碩成果[8-18]。然而針對充填開采覆巖裂隙時空演化規律和分布特征方面的內容，目前研究較少。

以任家莊煤礦擬充填工作面為工程背景，通過相似材料模擬實驗，分析充填開采覆巖裂隙的萌生、發育、擴展和閉合等變化，統計充填開采覆巖裂隙數量、角度、長度、寬度等參數，研究覆巖裂隙在煤層開采充填過程中的時空演化規律和分布特征，針對充填開采覆巖裂隙演化過程提出有針對性的控制措施。研究結果為充分認識充填開采導水裂隙時空演化機理和保水減沉采煤提供了指導。

1 工程背景

任家莊煤礦位于寧東橫城礦區，處于寧夏回族自治區靈武市東北部。煤礦井田深部屬地溫異常區；無陷落柱，受基巖空隙裂隙水和采空區積水影響有限，水文地質條件中等。任家莊煤礦地形地貌簡單，地質構造中等，地層巖性變化大，巖體結構多為互層狀，可采煤層頂板多屬于半堅硬層狀砂質巖類，工程地質條件中等。

該礦擬充填試驗工作面所采煤層為9#煤，平均厚度4.2m，平均傾角17°。煤層埋深約420m。充填試驗工作面位于11采區南翼，西部是110902工作面，南部是110906未采區段，上部是110504和110506采空區，西北方向有一背斜斷層，區段走向邊界存在防水危險區警戒線。采區井上位置位于工業廣場的東南部，地面有運煤公路和排矸公路經過。

2 相似材料模擬

2.1 模型鋪設

相似材料模型以任家莊煤礦擬充填工作面為工程背景進行搭建。相似材料模型尺寸定為150cm×10cm×90cm(長×寬×高)，模型幾何相似比為1∶100(模型：原型)，容重相似比為1∶1.6，應力相似比1∶160，模擬煤層開采方向為水平走向開采。模型巖層相似材料以河砂為骨料，石灰和石膏為膠結材料。通過相似材料配比試驗最終確定模型各巖層的配比，各層材料用量按照1.2的富裕系數進行稱量，巖層配比參數見表1。

表1 模型巖層材料配比

為了使得模型開挖充填過程中充填體相似材料的變形特性與現場擬采用的充填材料變形特性盡可能相似，有必要進行充填體的相似材料選擇。通過壓縮測試，最終選擇一種壓縮特性曲線與現場充填材料的理論壓縮特性曲線在走勢和形態上最為接近，相似度最高的材料組合作為模擬充填體[11]，如圖1所示。將模擬充填體制作成高度4cm、寬度5cm的塊體用于模型的充填。

圖1 模擬充填體壓縮曲線對比

2.2 模擬方案

模型開挖前需要在模型上部施加補償載荷以模擬模型上部至地表未鋪設巖層的自重。煤層兩側留設12.5cm的煤柱，中間125cm為模型的開挖充填范圍，開挖充填的方向為從左到右。煤層每開挖5cm就充填一個充填塊體，然后靜置模型[19]。

將模型開挖充填和靜置等一個充填塊體的操作流程的時間定為30min，之后再進行下一個充填塊體的開挖充填工作，依此類推直到煤層終采線，模型開挖充填實例如圖2所示。為了觀測模型巖層在開挖充填過程中的裂隙演化情況，采用高精度照相機對巖層出現的裂隙變化情況實時拍攝和測量，并進行素描。

圖2 相似材料模型開挖充填布置

3 結果分析

3.1 充填距離與覆巖裂隙分布

當開挖充填到一定距離時，將模型覆巖出現的裂隙進行拍照，并對覆巖裂隙進行素描，如圖3—圖5所示。

圖3 充填35cm覆巖裂隙分布

圖4 充填100cm覆巖裂隙分布

由圖3—圖5可知，當煤層開挖充填距離為35cm時，直接頂與基本頂之間出現第一條橫向裂隙，其長度約為260mm。當開挖充填距離為70cm時，第一條橫向裂隙發生擴展，長度增加，同時在煤柱與采空區交界處的直接頂出現非貫通性縱向裂隙，此時裂隙發育高度增加至煤層上方約30cm處，裂隙類型主要以橫向裂隙居多。隨著開挖充填距離增加至100cm，裂隙發育范圍進一步向上向前擴展，發育高度擴展至煤層上方約60cm的關鍵層，關鍵層出現非貫通性縱向裂隙，此階段采充區中部的低位巖層偶見塊體剝落，低位巖層裂隙呈現縮小閉合趨勢，高位巖層出現新增裂隙。隨著開挖充填距離進一步增加至125cm，工作面到達終采線，關鍵層下方裂隙發生明顯擴展，關鍵層上方無新增裂隙，裂隙發育范圍暫停向上擴展，說明關鍵層對裂隙向上發育起到了阻礙作用。此階段采充區中部覆巖裂隙明顯減少，采充區兩側覆巖裂隙較為發育，同時終采線附近出現塊體剝落，右側煤柱與直接頂交界處出現表面離層，說明煤柱附近巖層彎曲程度大，煤柱受集中應力作用明顯。

圖5 充填125cm覆巖裂隙分布

3.2 覆巖裂隙時空演化

根據覆巖在不同充填距離時出現的裂隙空間位置素描出覆巖裂隙時空演化特征，如圖6所示。圖6中用文字標注了不同開挖充填距離時的新增裂隙，虛線裂隙表示在開挖充填到一定距離時出現而在停采后閉合消失的裂隙，實線裂隙表示模型停采后依然顯現的裂隙。

圖6 覆巖裂隙時空演化素描

由圖6可知，在煤層開挖充填過程中，覆巖裂隙的萌生、發育、擴展和閉合等演化行為表現出一定的時空特性，工作面從開切眼開始開挖充填到一定距離，基本頂下方首先出現一條橫向裂隙，隨著工作面的推進，橫向裂隙發生橫向擴展，并衍生出非貫通性縱向裂隙，同時基本頂上方巖層發生彎曲下沉，產生新的裂隙。隨著開挖充填距離不斷增加，覆巖裂隙發育范圍逐漸由低位巖層向高位巖層擴展，采充區域中部的低位巖層裂隙受巖層下沉擠壓作用發生明顯縮小和閉合。

另外，裂隙在模型覆巖的空間分布具有一定規律性，即煤層開挖充填過程中，低位巖層產生的裂隙長度普遍比高位巖層要大，分布更密集。停采后，采充區中部上覆巖層的裂隙數量減少，采充區兩側覆巖裂隙分布較多，其中在煤柱與采充區交界的上覆巖層分布較多縱向裂隙，采充區近煤柱區域的上覆巖層分布較多橫向裂隙，分析原因為煤柱的承載性能遠比充填體承載性能要大，巖層在煤柱與采充區域交界處發生彎曲變形，采充區側巖層下沉傾斜程度大，而煤柱上方巖層下沉小，巖層下沉程度差異較大，因而在煤柱與采充區交界處產生縱向張拉破壞，在采充區兩側近煤柱區域的巖層產生離層破壞。

3.3 覆巖裂隙數量

為了更清楚的表征覆巖裂隙的發育程度，對不同充填距離時的覆巖裂隙數量進行了統計，統計結果如圖7所示。統計標準為將橫向及其衍生出的縱向裂隙視為一條完整裂隙。

圖7 不同充填距離時的裂隙數量

由圖7分析可知，隨著開挖充填距離的增加，覆巖裂隙數量呈現先增加后減少的趨勢，具體為，當煤層的開挖充填距離從0cm到100cm時，覆巖裂隙數量逐漸增多，在充填距離為100cm時覆巖裂隙數量達到峰值，完整裂隙數量為11條，當充填距離超過100cm達到125cm時，覆巖裂隙數量仍為11條，表明覆巖裂隙發育范圍達到關鍵層附近，關鍵層暫時阻礙了覆巖裂隙向上發育，同時關鍵層下方巖層發生下沉和疊加，擠壓了巖層間的離層和裂隙，導致采空區兩側覆巖新增裂隙數量與采空區中部覆巖閉合裂隙數量相等。

3.4 覆巖裂隙角度-長度

定義煤層開挖充填方向為0°，角度沿逆時針旋轉逐漸增大；橫向裂隙的角度定義為以橫向裂隙的起裂點為起點，裂隙停止擴展的點為終點，沿裂隙擴展方向畫直線，其與水平的夾角；縱向裂隙的角度定義也是如此。

隨著煤層開挖充填距離的增加，橫向和縱向裂隙數量和長度均呈現增加趨勢，其中角度在0°～10°之間的橫向裂隙數量較多，且長度大多集中在小于40cm的范圍，縱向裂隙發育長度均較小，其最大長度僅為10cm左右；充填距離從70cm增加至100cm，橫向裂隙最大長度減小，說明在此過程覆巖裂隙發生閉合現象；當充填距離為125cm，橫向裂隙最大長度超過90cm，此裂隙位于關鍵層下?？v向裂隙的角度普遍大于180°，說明巖層普遍從上向下發生張拉破壞。

3.5 覆巖裂隙長度-寬度

選取停采后的模型中三條表現明顯的覆巖裂隙，導入軟件中分析裂隙的長度與寬度的關系，如圖8所示。將位于模型充填起始位置、上部位置和終采線位置附近的裂隙分別編號為裂隙1、裂隙2和裂隙3。

圖8 裂隙長度與寬度

由圖8可知，充填模型中的覆巖裂隙寬度普遍較小，最大寬度不超過0.8mm。從裂隙的兩端向中部位置，其寬度呈現先增大后減小的變化規律，表明裂隙兩端位置寬度大，裂隙發育擴展，而中部位置裂隙在覆巖下沉擠壓作用下出現縮小閉合趨勢，裂隙寬度變小。從覆巖裂隙分布位置來看，煤層開采起始位置附近的覆巖裂隙寬度較大，最大約為0.8mm，停采位置附近的裂隙寬度較小，最大約為0.7mm左右，且開采起始位置的覆巖裂隙寬度普遍較大，但其長度卻較小，約為35cm左右，說明在經過長時間開挖充填后，開采起始位置的覆巖下沉較充分，覆巖裂隙受到擠壓，導致其長度變小。

4 充填開采覆巖裂隙控制措施

由相似材料模擬實驗可知，充填開采覆巖裂隙演化具有一定的時空特性。因此，針對充填開采裂隙演化特征，在實際工程中采取一定的控制措施：充填過程中應采取及時密實充填方式，增加采空區充實率，減少充填體的欠接頂量，提高前期充填體對頂板的支撐能力，控制覆巖裂隙早期發育程度，提前改善采場礦壓顯現；增強充填體的后期承載和抗變形性能，減少頂板對充填體的壓縮量，控制覆巖下沉變形，減小裂隙發育范圍；針對煤柱和工作面附近區域縱向裂隙較為發育的特征，應在此區域內采取加強頂板支護措施，防止頂板切落造成的安全風險。在地表建筑保護等級較高的壓煤區域進行充填開采，除了上述覆巖裂隙控制措施，還可采取在覆巖裂隙或關鍵層下方離層中進行注漿充填方式，填補裂隙空間，控制裂隙發育程度和影響范圍，阻止裂隙進一步向地面擴展。

5 結 語

通過相似材料模擬實驗，分析了模型在開挖充填過程中的覆巖裂隙時空演化和分布特征，結果表明，煤層開挖充填距離較短時，近煤層的低位巖層首先產生橫向裂隙，數量少，角度呈近水平。隨著開挖充填距離的增加，橫向裂隙的數量和長度均呈增加趨勢。橫向裂隙衍生出的非貫通性縱向裂隙基本分布在煤柱與采空區交界的區域內，其長度相對較短，角度普遍大于180°。覆巖裂隙由低位巖層逐漸向高位巖層發育擴展，裂隙分布范圍逐漸擴大，在關鍵層處裂隙發育受到一定阻礙。采充區中部覆巖的裂隙發生縮小和閉合現象，減緩覆巖裂隙數量的增加。停采后的覆巖裂隙寬度普遍小于0.8mm，由裂隙兩端向中部位置，裂隙寬度呈現先增大后減小的變化趨勢；開采起始位置的覆巖裂隙寬度比停采位置附近的覆巖裂隙寬度大。最后針對充填開采覆巖裂隙演化過程提出了有針對性的控制措施。